船用三螺桿泵故障分析

朱殿璞，劉瑞青，崔 鋒，呂偉領(lǐng)，張維勇

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

三螺桿泵屬于容積式流體機(jī)械，主要通過(guò)主動(dòng)螺桿和從動(dòng)螺桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)運(yùn)輸滑油。當(dāng)主動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)螺桿被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)主動(dòng)、從動(dòng)螺桿的這種同步異向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)口腔處形成真空，在大氣壓作用下，工作介質(zhì)從吸入管路進(jìn)入吸入腔，進(jìn)而充滿螺旋腔。隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)，介質(zhì)被不斷地輸送。因其具有結(jié)構(gòu)合理、容積效率高、自吸性好等優(yōu)點(diǎn)，在船舶、石油、石化、食品工業(yè)等方面應(yīng)用廣泛。現(xiàn)有三螺桿泵的文獻(xiàn)主要在性能研究、型線優(yōu)化、故障分析等方面進(jìn)行了研究。

宋超等[1]通過(guò)分析螺桿表面的壓力分布，找到了影響螺桿使用的重要因素，并給出了基本的求解公式，設(shè)計(jì)者可以此對(duì)螺桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；李福天[2]提出了適當(dāng)減小螺旋導(dǎo)程等 4種途徑，來(lái)提供高壓三螺桿泵的可靠性和效率；曾敏[3]研究了三螺桿泵轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)方法，推到了三螺桿泵轉(zhuǎn)子的型線方程，并對(duì)其進(jìn)行了三維實(shí)體建模，分析了其力學(xué)性能等，為三螺桿泵轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)；宋超[4]利用三維建模、有限元分析等方法，對(duì)螺桿的機(jī)構(gòu)形式、加工方法、受力情況等進(jìn)行了研究，為螺桿泵的設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。賈昀昭[5]從零部件故障和系統(tǒng)故障2個(gè)方面對(duì)三螺桿泵的故障模式進(jìn)行了具體分析，并且選定了其性能評(píng)估指標(biāo)，利用泵組試驗(yàn)臺(tái)分析其影響因素，最終驗(yàn)證了三流感泵故障模式分析的正確性；聶樹(shù)彬等[6]研究了潤(rùn)滑油泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)船用油泵離岸時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)噪聲大的情況進(jìn)行了分析，并提出了改進(jìn)措施。

本文通過(guò)原因分析、拆檢、故障排查、故障確認(rèn)、故障修復(fù)等，解決了某船用三螺桿泵無(wú)法盤車的故障，為預(yù)防三螺桿泵發(fā)生類似故障提供了思路，起到了重要的指導(dǎo)性作用。

1 組成及工作原理

該泵為立式三螺桿泵結(jié)構(gòu)，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接驅(qū)動(dòng)三螺桿泵。電機(jī)和三螺桿泵均安裝在聯(lián)接架上，聯(lián)接架再剛性聯(lián)接到油箱上。三螺桿泵未配備安全閥，進(jìn)口裝有過(guò)濾器，出口裝有配對(duì)法蘭，便于與外接管路的安裝。該泵主動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，介質(zhì)沿著螺桿螺旋和襯套之間形成的密封腔，軸向移動(dòng)，直至出口管路。由于泵進(jìn)口介質(zhì)被抽取，在進(jìn)口腔處形成真空，在大氣壓作用下，工作介質(zhì)從進(jìn)口管路進(jìn)入吸入腔，充滿螺旋腔。隨著主從動(dòng)螺桿的旋轉(zhuǎn)，介質(zhì)被不斷地的從進(jìn)口輸送到出口。如圖1所示為該泵的簡(jiǎn)要組成圖。

圖1 海水泵組組成

2 三螺桿泵故障分析

2.1 故障現(xiàn)象

對(duì)該泵進(jìn)行開(kāi)機(jī)，開(kāi)機(jī)時(shí)先點(diǎn)動(dòng)判斷旋向正確，啟動(dòng)后運(yùn)行了幾秒鐘后發(fā)現(xiàn)UPS電源顯示超載，然后停機(jī)，盤車后發(fā)現(xiàn)盤車緊，需要用加力桿在電機(jī)風(fēng)扇葉片處盤車，機(jī)組能稍微有轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)動(dòng)后觀察機(jī)組電機(jī)風(fēng)扇葉片處的電機(jī)葉片不旋轉(zhuǎn)，檢查機(jī)組已無(wú)法盤車。

2.2 原因分析

該三螺桿泵在出廠時(shí)各項(xiàng)性能符合指標(biāo)，并且該種型式的泵在其他機(jī)組中也有應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行比較穩(wěn)定，出現(xiàn)無(wú)法盤車的原因初步分析有以下原因。

1）電動(dòng)機(jī)故障。電動(dòng)機(jī)是螺桿泵的原動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生卡澀也會(huì)導(dǎo)致泵無(wú)法盤車和盤車異常的現(xiàn)象，但該種現(xiàn)象發(fā)生概率極低。

2）三螺桿泵的轉(zhuǎn)子（螺桿）吸入異物卡澀。由于三螺桿泵是通過(guò)主從動(dòng)螺桿的旋轉(zhuǎn)形成空腔吸入滑油輸送至出口，且螺桿型面之間間隙較小，螺桿與襯套之間的間隙同樣也很小，理論上有少許雜質(zhì)時(shí)可通過(guò)流道排出泵外，一旦雜質(zhì)正好卡到螺桿型面之間，則會(huì)損壞螺桿造成卡澀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞型面，造成螺桿泵損壞。

3）三螺桿泵缺油造成卡澀。螺桿泵會(huì)經(jīng)常發(fā)生或容易發(fā)生的故障就是缺油造成的損壞，螺桿泵一旦缺油運(yùn)行，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)造成卡澀，嚴(yán)重的會(huì)瞬間造成抱軸，造成無(wú)法盤車和盤車異常現(xiàn)象。

2.3 拆檢結(jié)果、故障排查、故障確認(rèn)

根據(jù)初步原因分析，對(duì)該三螺桿泵進(jìn)行了拆檢，拆檢時(shí)將電機(jī)與三螺桿泵分開(kāi)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，三螺桿泵從桿可以活動(dòng)，主動(dòng)螺桿無(wú)法旋轉(zhuǎn)。將泵拆檢后的示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 拆檢結(jié)果

經(jīng)過(guò)拆檢，從圖2中可以看出從動(dòng)螺桿、螺桿襯套、滾動(dòng)軸承、上軸承等零件均無(wú)異常損壞，并且電動(dòng)機(jī)盤車靈活無(wú)卡澀；三螺桿泵主動(dòng)螺桿平衡盤外表面（見(jiàn)圖2a)）與上端蓋配合的內(nèi)表面（見(jiàn)圖 2b)）有輕微粘連，用銅棒輕微一震就分開(kāi)。

根據(jù)拆檢結(jié)果，以及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)機(jī)過(guò)程的分析，確認(rèn)三螺桿泵無(wú)法盤車的原因?yàn)闄C(jī)組首次啟動(dòng)時(shí)機(jī)組未灌油干磨導(dǎo)致的螺桿與上端蓋粘連。三螺桿泵在首次開(kāi)機(jī)時(shí)需要對(duì)機(jī)組進(jìn)行灌油，確保機(jī)組首次開(kāi)機(jī)時(shí)機(jī)組內(nèi)部有油。機(jī)組開(kāi)機(jī)后進(jìn)口的滑油經(jīng)過(guò)螺桿輸送至泵出口，出口腔內(nèi)的滑油通過(guò)主動(dòng)螺桿平衡盤與上端蓋的間隙進(jìn)入滾動(dòng)軸承，潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承。在缺油或少油的情況下，三螺桿泵無(wú)法從油箱吸油，導(dǎo)致出口腔缺油，主動(dòng)螺桿平衡盤與上端蓋的間隙無(wú)油產(chǎn)生磨損進(jìn)而粘連，在停機(jī)盤車時(shí)會(huì)發(fā)生無(wú)法盤車的現(xiàn)象。

3 故障修復(fù)

3.1 修復(fù)處理

根據(jù)拆檢結(jié)果，襯套、軸套、骨架油封、軸承、密封墊等無(wú)明顯損壞，尺寸符合圖紙要求。前端蓋與主動(dòng)螺桿配合內(nèi)孔有明顯的痕跡，且內(nèi)孔垂直度已不符合圖紙要求。因此對(duì)主動(dòng)螺桿平衡盤外表面與上端該內(nèi)表面進(jìn)行去除毛刺、打磨，然后進(jìn)行復(fù)裝，復(fù)裝后盤車靈活，無(wú)死點(diǎn)。修復(fù)后相關(guān)尺寸均在要求的范圍內(nèi)。

3.2 修復(fù)前后對(duì)比

對(duì)三螺桿泵修復(fù)前后均進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)，如圖3所示，拆檢前后的性能曲線相差很小，并且拆檢后各測(cè)試壓力點(diǎn)的流量均高于拆檢前，尤其在額定壓力0.3 MPa處，拆檢后流量為18.75 m3/h，較拆檢前的流量18.78 m3/h下降了0.16%，這種相差很小的結(jié)果主要是因?yàn)闇y(cè)量誤差，這也證明了拆檢后的三螺桿泵性能符合要求。

對(duì)三螺桿泵修復(fù)前后均進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試，如圖4所示，為三螺桿泵基腳平均振動(dòng)加速度圖，從圖中可以看出拆檢前后的基腳平均振動(dòng)加速度相差不大，這也證明了拆檢后的三螺桿泵符合要求。

圖3 拆檢前后流量對(duì)比

圖4 拆檢前后振動(dòng)對(duì)比

4 結(jié)論

本文解決了某船用三螺桿泵無(wú)法盤車的故障，為預(yù)防三螺桿泵發(fā)生類似故障提供了思路，起到了重要的指導(dǎo)性作用。

三螺桿泵在啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中特別需要關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1）泵組首次啟動(dòng)需要灌油，確保機(jī)組內(nèi)部滿油；

2）確保機(jī)組旋向正確，如機(jī)組有反向運(yùn)行的情況，需要重新確認(rèn)灌油；

3）三螺桿泵啟動(dòng)后需關(guān)注出口壓力，若機(jī)組無(wú)法建立壓力，應(yīng)立即停機(jī)，盤車檢查，灌油。